电子科技大学航空航天学院 实验教案 (实验)课程名称：多智能飞行器协同综合创新实验I 电子科技大学教务处制表
电子科技大学 航空航天 学院 实 验 教 案 （实验）课程名称：多智能飞行器协同综合创新实验 I 电子科技大学教务处制表
实验一倾转旋翼机气动分析 一、 教学内容及要求 1、讲解倾转旋翼无人机的飞行原理和结构特点；（理解，1学时） 2、依据给定的设计要求和技术指标，初步拟定倾转旋翼无人机的结构方案和结构布局； (掌握，1学时) 3、使用Ansys Fluent分析软件进行气动仿真分析。（掌握，1学时) 4、思政案例融入：中国空气动力研究中心、航空航天之父钱学森。 二、 教学重点与难点 教学重点：气动飞行方法 教学难点：使用气动分析软件进行气动仿真分析。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生熟悉倾转旋翼无 人机的结构特点、掌握倾转旋翼无人机气动参数分析。 三、教学设计 1、实验设计 讲解倾转旋翼无人机的飞行原理和结构特点。 依据给定的设计要求和技术指标，初步拟定倾转旋翼无人机的结构方案和结构布局。 使用Solidworks建模软件，确定机身重量、翼展、机翼面积等飞行器参数，完成旋翼 机的结构设计。 利用Ansys Fluent分析软件，进行气动仿真分析。构建倾转旋翼机外流场的流线图、速 度分布图、压强分布图，分析所设计的倾转旋翼机升力系数、阻力系数、升力和阻力，压差
实验一 倾转旋翼机气动分析 一、 教学内容及要求 1、讲解倾转旋翼无人机的飞行原理和结构特点；（理解，1 学时） 2、依据给定的设计要求和技术指标，初步拟定倾转旋翼无人机的结构方案和结构布局； （掌握，1 学时） 3、使用 Ansys Fluent 分析软件进行气动仿真分析。（掌握，1 学时） 4、思政案例融入：中国空气动力研究中心、航空航天之父钱学森。 二、 教学重点与难点 教学重点：气动飞行方法 教学难点：使用气动分析软件进行气动仿真分析。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生熟悉倾转旋翼无 人机的结构特点、掌握倾转旋翼无人机气动参数分析。 三、 教学设计 1、实验设计 讲解倾转旋翼无人机的飞行原理和结构特点。 依据给定的设计要求和技术指标，初步拟定倾转旋翼无人机的结构方案和结构布局。 使用 Solidworks 建模软件，确定机身重量、翼展、机翼面积等飞行器参数，完成旋翼 机的结构设计。 利用 Ansys Fluent 分析软件，进行气动仿真分析。构建倾转旋翼机外流场的流线图、速 度分布图、压强分布图，分析所设计的倾转旋翼机升力系数、阻力系数、升力和阻力，压差
分布，气动力分布，为后续实验倾转旋翼机动力学模型搭建起到了前处理的作用。 2、实验挑战性 挑战1倾转旋翼机必须同时满足旋翼机和固定翼飞机这两种不同飞行模式的要求是典 型的多目标设计问题。倾转旋翼机数字化建模与结构设计涉及到飞行器结构设计和飞行动力 学等多门学科，这些学科相互影响、相互耦合，也是典型的多学科设计问题，其总体参数选择 是综合了多个学科的较复杂难题。 挑战2：本实验是基于数字化设计方法和数值仿真分析，确定满足要求的倾转旋翼无人 机结构。学生不仅需要掌握数字化设计流程，而且能够在数值仿真平台上进行结构与气动分 析。 基于以上挑战本实验将采用视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式。 四、 作业 完成课上未完成的倾转旋翼机数字化建模及气动分析。 五、 参考资料 《实验一实验指导书》 六、 教学后记 1、学生对空气动力学相关知识了解欠缺特别是流体力学 2、通过本实验学生熟悉了倾转旋翼无人机的结构特点，了解了相于传统固定翼或旋翼 无人机的优势；掌握了倾转旋翼无人机结构设计方法和数字化建模方法：能够利用计算流体 力学软件进行气动仿真分析；通过实验增强了对飞行器结构设计、飞行器气动力学、飞行力 学等课程知识的理解，为后续实验倾转旋翼机动力学模型搭建起到了前处理的作用。同时， 在此实验中将融入航天精神与航天文化。激发了学生的行业荣誉感和国防使命感
分布，气动力分布，为后续实验倾转旋翼机动力学模型搭建起到了前处理的作用。 2、实验挑战性 挑战 1：倾转旋翼机必须同时满足旋翼机和固定翼飞机这两种不同飞行模式的要求,是典 型的多目标设计问题。倾转旋翼机数字化建模与结构设计涉及到飞行器结构设计和飞行动力 学等多门学科,这些学科相互影响、相互耦合,也是典型的多学科设计问题，其总体参数选择 是综合了多个学科的较复杂难题。 挑战 2：本实验是基于数字化设计方法和数值仿真分析，确定满足要求的倾转旋翼无人 机结构。学生不仅需要掌握数字化设计流程，而且能够在数值仿真平台上进行结构与气动分 析。 基于以上挑战本实验将采用视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式。 四、 作业 完成课上未完成的倾转旋翼机数字化建模及气动分析。 五、 参考资料 《实验一实验指导书》 六、 教学后记 1、学生对空气动力学相关知识了解欠缺特别是流体力学 2、通过本实验学生熟悉了倾转旋翼无人机的结构特点，了解了相于传统固定翼或旋翼 无人机的优势；掌握了倾转旋翼无人机结构设计方法和数字化建模方法；能够利用计算流体 力学软件进行气动仿真分析；通过实验增强了对飞行器结构设计、飞行器气动力学、飞行力 学等课程知识的理解，为后续实验倾转旋翼机动力学模型搭建起到了前处理的作用。同时， 在此实验中将融入航天精神与航天文化。激发了学生的行业荣誉感和国防使命感
实验二倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真 一、 教学内容及要求 1、讲解倾转旋翼机旋翼模式飞行特点，构建旋翼模式下的数字化模型；（理解，4学 时) 2、讲解倾转旋翼机固定翼模式飞行特点，构建固定翼模式下的数字化模型；（理解，3 学时)》 3、确定倾转旋翼机旋翼模式与固定翼模式之间切换的过度走廊算法并建立数字化模型； (理解，2学时) 4、从位置控制、姿态控制、控制分配和电机控制四方面展开讨论并最终通过综合仿真 验证旋翼模式下控制率算法的有效性；（理解，3学时） 5、从位置控制、姿态控制两方面展开讨论并最终通过综合仿真验证固定翼模式下控制 率算法的有效性；（理解，2学时） 6、思政案例融入：授课教师参与翼龙无人机在马兰研发、试飞的拼搏精神、马兰精神 以及讲授国家功勋试飞员（雷强）的空天情怀。 二、教学重点与难点 教学重点：倾转旋翼机旋翼模式、固定翼模式、倾转走廊建模。 教学难点：倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真分析。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生理解旋翼旋翼机 的飞行控制律设计；对飞行器控制律设计进行仿真分析，验证设计的可行性。 三、教学设计 1、实验设计
实验二 倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真 一、 教学内容及要求 1、讲解倾转旋翼机旋翼模式飞行特点，构建旋翼模式下的数字化模型；（理解，4 学 时） 2、讲解倾转旋翼机固定翼模式飞行特点，构建固定翼模式下的数字化模型；（理解，3 学时） 3、确定倾转旋翼机旋翼模式与固定翼模式之间切换的过度走廊算法并建立数字化模型； （理解，2 学时） 4、从位置控制、姿态控制、控制分配和电机控制四方面展开讨论并最终通过综合仿真 验证旋翼模式下控制率算法的有效性；（理解，3 学时） 5、从位置控制、姿态控制两方面展开讨论并最终通过综合仿真验证固定翼模式下控制 率算法的有效性；（理解，2 学时） 6、思政案例融入：授课教师参与翼龙无人机在马兰研发、试飞的拼搏精神、马兰精神 以及讲授国家功勋试飞员（雷强）的空天情怀。 二、 教学重点与难点 教学重点：倾转旋翼机旋翼模式、固定翼模式、倾转走廊建模。 教学难点：倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真分析。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生理解旋翼旋翼机 的飞行控制律设计；对飞行器控制律设计进行仿真分析，验证设计的可行性。 三、 教学设计 1、实验设计
实验设计1：倾转旋翼机旋翼模式数字化模型的构建及仿真验证控制算法的有效性。 使用Matlab/Simulink平台构建飞行器的螺旋桨模型、电机模型、电调模型、电池模型、 旋翼拉力模型和刚体动力学模型，观察参数变化对多旋翼飞行器系统运行性能的影响； 根据一架多旋翼飞行器的悬停时间、最大负载重量和飞行距离等飞行性能指标分析出多 旋翼飞行器最佳的动力系统配置方案； 从位置控制、姿态控制、控制分配和电机控制四方面展开讨论并最终通过综合仿真验证 控制算法的有效性。 实验设计2：倾转旋翼机固定翼模式下的数字化模型的构建及仿真验证控制算法的有效 性。 使用Matlab/Simulink平台构建固旋翼飞行器机身与机翼气动力模型、V尾模型、推力 模型，重力模型以及飞行器六自由度运动方程模型，观察参数变化对固定翼飞行器系统运行 性能的影响； 从位置控制、姿态控制展开，讨论固旋翼飞行器的飞行稳定性并最终通过综合仿真验证 控制算法的有效性。 实验设计3：确定倾转旋翼机旋翼模式与固定翼模式之间切换的过渡走廊算法并建立数 字化模型； 使用Matlab/Simulink平台设计合理的短舱倾转角度和前飞速度的关系，即获取安全走 廊。 使用Matlab/Simulink平台设计不同海拔和空气密度条件下的安全过渡走廊，同时能够 对短舱倾转角度变化规律和短舱转速进行设计。 2、实验挑战性 本实验是基于数字化设计方法和数值仿真分析确定满足要求的倾转旋翼无人机控制算
实验设计 1：倾转旋翼机旋翼模式数字化模型的构建及仿真验证控制算法的有效性。 使用 Matlab/Simulink 平台构建飞行器的螺旋桨模型、电机模型、电调模型、电池模型、 旋翼拉力模型和刚体动力学模型，观察参数变化对多旋翼飞行器系统运行性能的影响； 根据一架多旋翼飞行器的悬停时间、最大负载重量和飞行距离等飞行性能指标分析出多 旋翼飞行器最佳的动力系统配置方案； 从位置控制、姿态控制、控制分配和电机控制四方面展开讨论并最终通过综合仿真验证 控制算法的有效性。 实验设计 2：倾转旋翼机固定翼模式下的数字化模型的构建及仿真验证控制算法的有效 性。 使用 Matlab/Simulink 平台构建固旋翼飞行器机身与机翼气动力模型、V 尾模型、推力 模型，重力模型以及飞行器六自由度运动方程模型，观察参数变化对固定翼飞行器系统运行 性能的影响； 从位置控制、姿态控制展开，讨论固旋翼飞行器的飞行稳定性并最终通过综合仿真验证 控制算法的有效性。 实验设计 3：确定倾转旋翼机旋翼模式与固定翼模式之间切换的过渡走廊算法并建立数 字化模型； 使用 Matlab/Simulink 平台设计合理的短舱倾转角度和前飞速度的关系，即获取安全走 廊。 使用 Matlab/Simulink 平台设计不同海拔和空气密度条件下的安全过渡走廊，同时能够 对短舱倾转角度变化规律和短舱转速进行设计。 2、实验挑战性 本实验是基于数字化设计方法和数值仿真分析，确定满足要求的倾转旋翼无人机控制算